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膨润土的物理性质和化学性质
来源:www.bssprt.com 发布时间:2023年05月11日
膨润土具有优良的物理、化学性质,包括吸水性、溶胀性、黏结性、吸附性、催化活性、触变性、悬浮性、可塑性、润滑性和阳离子交换性等,膨润土厂家讲述因此钻井泥浆膨润土是一种应用极其广泛的非金属矿物。
一、吸水膨胀性
膨润土具有吸湿性,能吸附8-15倍于自己体积的水量。吸水后能膨胀,膨胀倍数是自己原体积的30余倍。膨润土的主要成分蒙脱石为两层硅氧四面体偏晶层中间夹一层铝(镁)氧八面体片晶层构成的2:1层状硅酸盐。钠基蒙脱石与钙基蒙脱石相比,钠基蒙脱石在水中分散程度高,其特点是吸水速率慢,但吸水延续的时间长,总吸水量大,而且Na+的半径小,它在蒙脱石单位晶层底面占据的面积小,晶体吸水膨胀倍数就高,可达30倍。钙基蒙脱石吸水速率快,2h即达到饱和,吸水量少。钠基蒙脱石的吸水量和膨胀倍数是钙基蒙脱石的2-3倍。蒙脱石的吸水作用有一定限制,所吸的水分子层(即水化膜)达到一定厚度并分布均匀时,吸水量达到平衡,若此平衡被破坏即失水后,吸水膨胀性能又得以恢复。
二、分散悬浮性
蒙脱石以胶体分散状态存在于溶液中。蒙脱石矿物颗粒细小,它的单位晶层之间易分离,水分子易进入晶层与晶层之间,充分水化后以溶胶形式悬浮于水溶液中。在膨润土分散液中,蒙脱石颗粒可能呈单一晶胞或晶层面的平行叠置状存在,也可以是少量晶胞的附聚体:晶层面和晶体端面的附聚体或晶层端面和端面的附聚体。由于蒙脱石晶胞在水溶液中,都带有相同的负电荷,彼此相互排斥;在稀溶液里又很难凝聚成大颗粒,因此蒙脱石是一种很好的助悬浮剂。在蒙脱石小颗粒的分散液中,颗粒分布均匀,pH>7时助悬效果更好。
若在分散液中加入金属阳离子,尤其是高价金属阳离子,或是降低溶液的碱度至中性甚至弱酸性时,则附聚体会发生聚集、絮凝,分散液呈浓厚悬浮液,颗粒增大,均匀程度差,絮凝发展到整个体系时即成凝胶,比较稀薄、不稳定的蒙脱石分散液随附聚的发展颗粒逐渐增大,蒙脱石颗粒产生沉积。
钠基蒙脱石颗粒较细小(钙基蒙脱石矿物颗粒较粗),在水介质中可以解离成单位晶胞,分布均匀,沉积速率较慢,故分散性好。
三、触变性
触变性是指胶体溶液搅拌时变稀(剪切力降低),而静置后变稠(剪切力升高)的特性。
膨润土结构中的羟基在静置的介质中会产生氢键,使之成为均匀的胶体,并且有一定的黏度。当在外界剪切力存在下进行搅拌时,氢键被破坏,黏度降低。所以膨润土溶液在搅动时悬浮液表现为流动性很好的溶胶液;停止外加搅动时就会自行排列成具有立体网状结构的凝胶,不发生沉降分层和有水离析。再施加外力搅动时,凝胶又能迅速被打破,恢复流动性。
四、 黏结性和可塑性
黏结性是指膨润土的胶体悬浮液具有较高的黏度。黏度是胶体流动时固体颗粒之间、固体颗粒与液体之间、液体分子之间等的内摩擦力。膨润土与水混合具有黏结性由多种因素所致,如膨润土亲水,颗粒细小,晶体表面电荷多样化,颗粒不规则,羟基与水形成氢键等。由多种聚附形式形成溶胶,使膨润土与水混合具有很大的黏结性。
膨润土具有较好的可塑性,它的可塑性及水的百分含量大大高于高岭石和伊利石,而形变所需要的力则较其它黏土小。膨润土中的应力应变值随蒙脱石交换阳离子种类不同而变化。钠基膨润土的可塑性高,黏结性强。
五、离子交换性
在纯水中,不溶于水的蒙脱石晶胞骨架带负电荷,与带正电荷的阳离子互相制约,在弱电场作用下正离子不能自由移动。当遇到介质中其它能自由移动的阳离子时,晶胞层间被吸附的阳离子与溶液中自由运动的另一种阳离子发生交换反应,交换性阳离子被交换到溶液中。常见的可交换阳离子是Ca2+和Na+。因此,根据所含的可交换阳离子的种类和含量,膨润土又可分为钙基膨润土和钠基膨润土。钠基膨润土较钙基膨润土有更好的阳离子交换能力。
六、对有机物的吸附性
蒙脱石中硅氧四面体或铝氧八面体中的Si4+或Al3+被其它低价离子取代的晶格置换引起内部电荷不平衡,形成电负性吸附,从而具有吸附各种阳离子和极性分子的能力,因此,蒙脱石晶层间和晶胞表面能吸附多种有机分子。同时,又由于蒙脱石独特的双八面体结构和层状组合,使其具有较大的比表面积,达456~676㎡/g,所以蒙脱石对大分子有机物也具有高度的选择吸附性。蒙脱石吸附有机物形成有机蒙脱石复合物,在有机溶剂中也具有膨胀和胶凝作用,对看机溶剂具有稠化能力。
蒙脱石对有机物质的吸附形式有交换吸附和物理吸附两种,交换吸附可以是共价键结合,吸附物也可以是离子键结合,交换吸附作用使蒙脱石晶层间距加大,同时使亲水的蒙脱石变为疏水的有机蒙脱石复合物,钠基蒙脱石比钙基蒙脱石更容易被有机阳离子取代,形成的取代复合物稳定性也更强,广泛用于制作膨润土稠化剂。
物理吸附与蒙脱石吸附极性水分子形成水化膜一样,蒙脱石吸附的极性有机分子取代蒙脱石的层间吸附水呈有机溶剂化膜状态,这种有机吸附不改变蒙脱石的阳离子交换性,一般极性有机分子取代极性水分子是可逆的。但较大的极性有机分子由于吸附能较大,它可以取代水,但水无法取代它,所以可以形成一种较稳定的有机蒙脱石复合物而存在。物理吸附通常在高温或有机溶剂中进行。这种物理吸附能与蒙脱石交换性阳离子的电荷和极性有机分子的偶极矩成正比,与作用距离成反比。与交换吸附情况不同的是,蒙脱石交换性阳离子价数越大,则物理吸附能越大。
七、 稳定性
1、膨润土具有一定的热稳定性。在受热情况下,仍具有一定的阳离子交换能力和膨胀性能。
2、蒙脱石的化学稳定性及溶解度
(1)蒙脱石的化学稳定性: 蒙脱石不溶于一般的酸,氢氟酸是其溶剂。蒙脱石在室温下不与碱、氧化剂、还原剂发生化学反应,具有较好的化学稳定性。
(2)膨润土的溶解性 :蒙脱石的晶格骨架不溶于水,同晶置换在晶层底面的阳离子在水介质中具有亲水性,形成水化膜,同时作为交换剂的反离子可以溶解于水中。蒙脱石为极性分子,故不溶于有机溶剂。
八、无毒性
膨润土对人、畜、植物无毒害和腐蚀作用,对人体皮肤无刺 激,对神经、呼吸系统无影响。因此,可用于医药载体、赋形剂和饲料添加剂等。
一、吸水膨胀性
膨润土具有吸湿性,能吸附8-15倍于自己体积的水量。吸水后能膨胀,膨胀倍数是自己原体积的30余倍。膨润土的主要成分蒙脱石为两层硅氧四面体偏晶层中间夹一层铝(镁)氧八面体片晶层构成的2:1层状硅酸盐。钠基蒙脱石与钙基蒙脱石相比,钠基蒙脱石在水中分散程度高,其特点是吸水速率慢,但吸水延续的时间长,总吸水量大,而且Na+的半径小,它在蒙脱石单位晶层底面占据的面积小,晶体吸水膨胀倍数就高,可达30倍。钙基蒙脱石吸水速率快,2h即达到饱和,吸水量少。钠基蒙脱石的吸水量和膨胀倍数是钙基蒙脱石的2-3倍。蒙脱石的吸水作用有一定限制,所吸的水分子层(即水化膜)达到一定厚度并分布均匀时,吸水量达到平衡,若此平衡被破坏即失水后,吸水膨胀性能又得以恢复。
二、分散悬浮性
蒙脱石以胶体分散状态存在于溶液中。蒙脱石矿物颗粒细小,它的单位晶层之间易分离,水分子易进入晶层与晶层之间,充分水化后以溶胶形式悬浮于水溶液中。在膨润土分散液中,蒙脱石颗粒可能呈单一晶胞或晶层面的平行叠置状存在,也可以是少量晶胞的附聚体:晶层面和晶体端面的附聚体或晶层端面和端面的附聚体。由于蒙脱石晶胞在水溶液中,都带有相同的负电荷,彼此相互排斥;在稀溶液里又很难凝聚成大颗粒,因此蒙脱石是一种很好的助悬浮剂。在蒙脱石小颗粒的分散液中,颗粒分布均匀,pH>7时助悬效果更好。
若在分散液中加入金属阳离子,尤其是高价金属阳离子,或是降低溶液的碱度至中性甚至弱酸性时,则附聚体会发生聚集、絮凝,分散液呈浓厚悬浮液,颗粒增大,均匀程度差,絮凝发展到整个体系时即成凝胶,比较稀薄、不稳定的蒙脱石分散液随附聚的发展颗粒逐渐增大,蒙脱石颗粒产生沉积。
钠基蒙脱石颗粒较细小(钙基蒙脱石矿物颗粒较粗),在水介质中可以解离成单位晶胞,分布均匀,沉积速率较慢,故分散性好。
三、触变性
触变性是指胶体溶液搅拌时变稀(剪切力降低),而静置后变稠(剪切力升高)的特性。
膨润土结构中的羟基在静置的介质中会产生氢键,使之成为均匀的胶体,并且有一定的黏度。当在外界剪切力存在下进行搅拌时,氢键被破坏,黏度降低。所以膨润土溶液在搅动时悬浮液表现为流动性很好的溶胶液;停止外加搅动时就会自行排列成具有立体网状结构的凝胶,不发生沉降分层和有水离析。再施加外力搅动时,凝胶又能迅速被打破,恢复流动性。
黏结性是指膨润土的胶体悬浮液具有较高的黏度。黏度是胶体流动时固体颗粒之间、固体颗粒与液体之间、液体分子之间等的内摩擦力。膨润土与水混合具有黏结性由多种因素所致,如膨润土亲水,颗粒细小,晶体表面电荷多样化,颗粒不规则,羟基与水形成氢键等。由多种聚附形式形成溶胶,使膨润土与水混合具有很大的黏结性。
膨润土具有较好的可塑性,它的可塑性及水的百分含量大大高于高岭石和伊利石,而形变所需要的力则较其它黏土小。膨润土中的应力应变值随蒙脱石交换阳离子种类不同而变化。钠基膨润土的可塑性高,黏结性强。
五、离子交换性
在纯水中,不溶于水的蒙脱石晶胞骨架带负电荷,与带正电荷的阳离子互相制约,在弱电场作用下正离子不能自由移动。当遇到介质中其它能自由移动的阳离子时,晶胞层间被吸附的阳离子与溶液中自由运动的另一种阳离子发生交换反应,交换性阳离子被交换到溶液中。常见的可交换阳离子是Ca2+和Na+。因此,根据所含的可交换阳离子的种类和含量,膨润土又可分为钙基膨润土和钠基膨润土。钠基膨润土较钙基膨润土有更好的阳离子交换能力。
六、对有机物的吸附性
蒙脱石中硅氧四面体或铝氧八面体中的Si4+或Al3+被其它低价离子取代的晶格置换引起内部电荷不平衡,形成电负性吸附,从而具有吸附各种阳离子和极性分子的能力,因此,蒙脱石晶层间和晶胞表面能吸附多种有机分子。同时,又由于蒙脱石独特的双八面体结构和层状组合,使其具有较大的比表面积,达456~676㎡/g,所以蒙脱石对大分子有机物也具有高度的选择吸附性。蒙脱石吸附有机物形成有机蒙脱石复合物,在有机溶剂中也具有膨胀和胶凝作用,对看机溶剂具有稠化能力。
蒙脱石对有机物质的吸附形式有交换吸附和物理吸附两种,交换吸附可以是共价键结合,吸附物也可以是离子键结合,交换吸附作用使蒙脱石晶层间距加大,同时使亲水的蒙脱石变为疏水的有机蒙脱石复合物,钠基蒙脱石比钙基蒙脱石更容易被有机阳离子取代,形成的取代复合物稳定性也更强,广泛用于制作膨润土稠化剂。
物理吸附与蒙脱石吸附极性水分子形成水化膜一样,蒙脱石吸附的极性有机分子取代蒙脱石的层间吸附水呈有机溶剂化膜状态,这种有机吸附不改变蒙脱石的阳离子交换性,一般极性有机分子取代极性水分子是可逆的。但较大的极性有机分子由于吸附能较大,它可以取代水,但水无法取代它,所以可以形成一种较稳定的有机蒙脱石复合物而存在。物理吸附通常在高温或有机溶剂中进行。这种物理吸附能与蒙脱石交换性阳离子的电荷和极性有机分子的偶极矩成正比,与作用距离成反比。与交换吸附情况不同的是,蒙脱石交换性阳离子价数越大,则物理吸附能越大。
七、 稳定性
1、膨润土具有一定的热稳定性。在受热情况下,仍具有一定的阳离子交换能力和膨胀性能。
2、蒙脱石的化学稳定性及溶解度
(1)蒙脱石的化学稳定性: 蒙脱石不溶于一般的酸,氢氟酸是其溶剂。蒙脱石在室温下不与碱、氧化剂、还原剂发生化学反应,具有较好的化学稳定性。
(2)膨润土的溶解性 :蒙脱石的晶格骨架不溶于水,同晶置换在晶层底面的阳离子在水介质中具有亲水性,形成水化膜,同时作为交换剂的反离子可以溶解于水中。蒙脱石为极性分子,故不溶于有机溶剂。
八、无毒性
膨润土对人、畜、植物无毒害和腐蚀作用,对人体皮肤无刺 激,对神经、呼吸系统无影响。因此,可用于医药载体、赋形剂和饲料添加剂等。
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